Celulosa para retrasar la liberación de fertilizantes en el suelo y crear macetas autofertilizantes

Científicos de la Universidad Federal de São Carlos, en Brasil, adaptaron este material proveniente del bagazo de la caña de azúcar y de la industria de papel en reemplazo de los polímeros sintéticos actualmente existentes en el mercado que aplican los productores. El objetivo es evitar la generación de residuos no biodegradables en el campo

Por Karina Ninni  |  Agência FAPESP – Un equipo del Laboratorio de Materiales Poliméricos y Biosorbentes de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en el estado de São Paulo, Brasil, produjo y está probando materiales a base de celulosa con el objetivo de mejorar la disponibilidad de nutrientes destinados a los cultivos agrícolas y evitar la producción de residuos no biodegradables en el campo.

Los resultados de estos estudios, dirigidos por la profesora Roselena Faez y financiados por la FAPESP, se publicaron recientemente en dos artículos.

La autora principal del trabajo publicado en la revista Carbohydrate Polymers es la química Débora França. En esta investigación, el grupo utilizó nanocelulosa modificada para intentar desacelerar la liberación en el suelo de los nutrientes presentes en los fertilizantes. Sucede que las sales que contienen los principales macronutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio) son muy solubles y poseen una gran movilidad.

“El potasio es un ion que se lixivia rápidamente debido a la acción de la lluvia. Posee una importante movilidad iónica, y es el peor de ellos si lo que se pretende es lograr una liberación controlada. En tanto, el nitrógeno puede obtenerse partiendo de varias fuentes: nitratos, amoníaco, urea. Pero el nitrato es la fuente de donde la planta obtiene más fácilmente el nitrógeno que necesita. Y a ejemplo del potasio, el agua también puede arrastrarlo fácilmente, con lo cual no permanece durante mucho tiempo en el suelo. En tanto, el fósforo [una forma de fosfato] es un ion muy grande, que no posee tanta movilidad como los otros macronutrientes”, explica Faez, quien coordina el Grupo de Investigaciones en Materiales Poliméricos y Biosorbentes en el campus de la UFSCar, con sede en la localidad paulista de Araras.

Según la investigadora, en el mercado existen productos cuya función consiste en desacelerar la liberación de estos nutrientes, pero en su mayoría están compuestos por polímeros sintéticos, no biodegradables. “Los granos de los fertilizantes son del tamaño de una piedrita de sal gruesa. Para liberar los nutrientes más lentamente, vienen recubiertos por capas de polímeros. Dependiendo del tipo de material, una capa dura más o menos dos meses. Por eso se los recubre con dos, tres o cuatro capas, según el tiempo durante el cual se pretenda liberar el nutriente”, explica Faez, quien a su vez remarca que los plásticos que se emplean para envolver las partículas quedan en el suelo, con lo cual se convierten en un problema a mediano y largo plazo, debido a la generación de microplásticos.

El equipo de la UFSCar desarrolló un producto muy diferente, basado en la interacción química entre la nanocelulosa modificada y las sales, para mantenerlas en el suelo. “En este trabajo, nos enfocamos en los mayores problemas: el nitrato y el potasio. Y desarrollamos un material totalmente biodegradable con una tasa de liberación de esos nutrientes muy cercana a la de los materiales sintéticos disponibles.”

França utilizó nanocelulosa basada en celulosa pura donada por una industria de papel y modificó su superficie, a los efectos de obtener cargas positivas y negativas. “Como las sales también son compuestos de partículas con carga positiva o negativa y muy solubles, la hipótesis indicó que la nanocelulosa con carga negativa reaccionaría con los iones positivos de las sales y la nanocelulosa positiva interactuaría con los iones con carga negativa, lo que reduciría la solubilidad de esas sales, cosa que se confirmó y el grupo logró modular la liberación de los nutrientes dependiendo del tipo de partícula que había en el material.”

El análisis en el suelo

Aparte de elaborar el producto en forma de pastillas, el grupo analizó su rendimiento en la liberación de los nutrientes en el suelo (generalmente, se determina la tasa de liberación del material poniéndolo en agua, un sistema muy distinto al del suelo). Este trabajo se concretó en colaboración con Claudinei Fonseca Souza, docente del Departamento de Recursos Naturales y Protección Ambiental de la UFSCar-Araras.

“Analizamos la liberación de los nutrientes en el suelo y la biodegradación del material en el lugar durante cien días. Pero estamos utilizando ex profeso un suelo muy pobre, con escasa materia orgánica, pues de este modo logramos ver los efectos físicos de la liberación con mayor facilidad”, comenta Faez.

Los científicos aplicaron dos técnicas para obtener las pastillas. Primeramente, la de secado y la atomización mediante spraydryer (un aparato que quita la humedad y transforma el material en polvo), mediante la cual la nanocelulosa encapsuló los nutrientes. Posteriormente, se sometió al polvo obtenido a un procesamiento térmico y se lo prensó en moldes. Este trabajo se concretó con la ayuda de colegas del Laboratorio de Materiales de Celulosa y Madera de Empa (Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales) y del Grupo de Investigaciones en Ingeniería de Agua, Suelos y Medio Ambiente, encabezado por Fonseca Souza. França realizó las modificaciones en la celulosa en el laboratorio suizo, durante una pasantía realizada merced a una beca de la FAPESP. La investigadora contó también con el apoyo de la Fundación mediante el otorgamiento de una beca doctoral en Brasil.

La autofertilización

El segundo artículo reciente del grupo salió publicado en el periódico científico Industrial Crops and Products, y su primer autor es el químico Lucas Luiz Messa. El objetivo de este estudio consistió en extraer la celulosa del bagazo de la caña de azúcar y modificarla con una carga negativa en la superficie mediante la incorporación de partes de fósforo (fosforilación), lo que haría posible la entrega controlada de nutrición vegetal. La idea era que los cationes de macro y micronutrientes se uniesen a los aniones de fósforo de la superficie celulósica modificada, lo que retrasaría el proceso de entrega de los nutrientes.

El grupo preparó tres tipos de estructuras con la celulosa fosforilada: películas similares a papel, un polvo, mediante el uso de spraydryer, y una estructura muy liviana, parecida a un pequeño trozo de poliestireno expandido, mediante el empleo de freeze drying (una técnica con la cual se congela el material con agua y, cuando se retira la misma, quedan pequeños orificios en su lugar: en este último caso, los científicos observaron que al retirar el agua mediante liofilización, los nutrientes permanecieron en esos orificios).

“Pero, tecnológicamente, la estructura similar a un papel fue el mejor material que produjimos para entregar nutrientes en forma controlada. Con ese papel es posible crear varios productos”, comenta Faez.

Los resultados obtenidos en el trabajo de Messa permitieron desarrollar pequeñas macetas (potes de propagación) para el cultivo de plantines. Este material, cuando se degrada, libera el fósforo presente en su composición. De acuerdo con Faez, el proceso de obtención de la celulosa fosforilada es barato, lo que hace con que el producto final se obtenga sin demasiado costo. “Son más o menos 0,27 real por gramo de papel producido. La macetita pesa más o menos 1 gramo. Por ende, sale alrededor de 0,30 real la unidad, pensando en el precio de laboratorio.”

La profesora de la UFSCar recuerda que ya existen macetas de propagación biodegradables en el mercado. “Pero nuestro producto sale con el fertilizante en el propio material, lo que marca una gran diferencia. Tan es así que concretamos una solicitud de propiedad intelectual.”

Estas macetas serán puestas a prueba por un productor de flores de la localidad de Holambra (en el estado de São Paulo), a quien ya se le han enviado algunos lotes elaborados en laboratorio. Allí, la prueba de liberación de nutrientes se concretó únicamente en el agua. “A este método le damos el nombre de análisis acelerado de liberación de iones, pues en el agua es más rápido. Pero incluso en el agua, al comparar el comportamiento del ion en el material y sin el material, detectamos una reducción de la liberación de entre un 40 % y un 50 %. Y aun en el agua, logramos retener esos iones. Imaginamos que en el sustrato la entrega será más lenta todavía.”

Este trabajo también contó con el apoyo de la FAPESP mediante una beca doctoral en Brasil y una beca en el exterior –para la realización de una pasantía de investigación, y ambas otorgadas a Messa– aparte de una Ayuda de Investigación Regular concedida a Faez.

Messa contó con la ayuda de un colega de la Universidad de California (en Estados Unidos), en donde realizó una pasantía de investigación.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Sugarcane bagasse derived phosphorylated cellulose as substrates for potassium release induced by phosphates surface and drying methods en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926669022008330?via%3Dihub#!.

En tanto, puede consultarse el artículo Charged-cellulose nanofibrils as a nutrient carrier in biodegradable polymers for enhanced efficiency fertilizers, realizado por França, en: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861722008396?via%3Dihub.